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作者：

穆建桥

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摘要：

随着纤维缠绕技术的发展,高性能、轻量化的纤维缠绕复合材料制品应用愈加广泛。在缠绕成型过程中,纤维的滑线和排布不均会造成制品的力学性能降低,这一现象往往被大多数研究者忽略,造成力学分析的强度与实际值偏差较大。目前多数学者对缠绕构件的成型过程进行设计时,在给定缠绕尺寸下,往往不能兼顾稳定缠绕和均匀布满两个工艺条件。运用网格理论对压力容器缠绕线型设计时,缠绕角可根据封头尺寸由稳定缠绕方程确定,但此时纤维缠绕模具往返一次的中心转角也已确定,在缠绕一个完整循环后纤维不能严格错开一个纱宽的距离,造成模具表面纤维重叠或留缝。在确定缠绕尺寸的情况下,研究兼顾稳定缠绕和均匀排布两个工艺条件的缠绕规律,是解决这一问题的有效途径。本文以复合材料压力容器为对象,在满足纤维稳定缠绕、均匀排布的工艺基础上,基于非测地线理论对线型模式进行研究,求解满足工艺要求的缠绕参数,根据缠绕工艺参数建立有限元模型,分析压力容器强度,最终通过实际缠绕成型、爆破实验,比较压力容器实际爆破强度与预测理想值的差别,验证基于非测地线缠绕压力容器线型设计理论和强度分析方法的正确性。本文主要内容如下:(1)分析复合材料单层结构的力学模型与失效准则,为压力容器力学分析奠定理论基础。探讨复合材料压力容器筒身和封头的网格分析理论,分析基于网格理论的结构设计方法,并探究基于网格理论线型设计的局限性。(2)通过制备并测试NOL环力学性能,在T700、T800碳纤维与三种环氧树脂的六种体系中选取最优复合材料匹配体系T800/EW-60D,制作选定体系复合材料的单向板并测试其基本力学性能。(3)为得到定缠绕尺寸下,满足纤维稳定缠绕、均匀排布的工艺参数,对纤维缠绕的非测地线缠绕线型模式进行研究。推导并求解出纤维轨迹中心角的二阶非齐次非线性方程。求解出定极孔半径下缠绕角和滑移系数的对应关系,中心转角与滑移系数之间的关系以及纤维稳定缠绕、均匀排布的缠绕参数。考虑纱片宽对缠绕过程进行仿真,分析纤维纱带的排布规律,研究纱片宽度、切点数对线型模式的影响,最后计算出丝嘴轨迹点空间位置和主轴旋转角度。另外,为了给缠绕成型过程中参数设置提供参考,比较缠绕参数、悬纱长度的改变对主轴转角和丝嘴运动轨迹的影响。(4)根据求解出的缠绕工艺参数,建立有限元模型,分析30MPa内压下压力容器的受力状态,并预测爆破强度为89.1MPa。利用5轴数控缠绕机进行实际缠绕成型,缠绕过程中纤维排列整齐、均匀,并未发生滑线现象,纤维排列的型式与仿真结果一致。测试爆破强度为85MPa,与预测值相差4.82%,误差较低,实验结果与模拟情况符合较好。结果表明,本文研究的非测地线缠绕成型理论兼顾了纤维稳定缠绕和均匀布满两个工艺条件,使制品的强度接近理想值。本文提出的兼顾两个工艺条件的非测地线缠绕线型设计理论与方法是准确可行的,基于工艺过程的强度分析是精确可靠的,为制备更高性能、更高规格的纤维缠绕制品奠定基础。

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关键词：

复合材料；压力容器；非测地线；缠绕成型；爆破强度

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1019.809117